第IV部分 稀土在新能源電池市場的介紹
第二十九章 稀土元素在太陽能電池中的應用
稀土元素在太陽能電池中的應用是一個活躍且充滿潛力的研究領域。這些元素以其獨特的光電特性、電子傳導能力和穩定性，在提升太陽能電池的效率、穩定性和壽命方面發揮著重要作用。
稀土元素（Rare Earth Elements, REEs）是一組具有相似化學性質的元素，包括鑭系元素（從鑭到鑥的15個元素）以及鈧和釔。這些元素在自然界中通常以礦物形式存在，並因其獨特的電子排布而展現出多種物理和化學性質。在太陽能電池領域，稀土元素主要通過摻雜、塗層或作為功能性材料等方式發揮作用。
太陽能電池圖片
光電轉換效率是太陽能電池性能的關鍵指標之一。稀土元素具有較高的光吸收能力和寬頻隙特性，能有效促進光的吸收和電子的遷移，從而提高太陽能電池的光電轉換效率。例如，氧化鈰（CeO₂）、釔鐵石榴石（YIG）等稀土材料的摻雜可顯著提高太陽能電池的光電轉換效率。研究表明，適量的稀土摻雜可優化太陽能電池的光學性能和電學性能，使得光生載流子的分離和傳輸更加高效（參考文獻：稀土材料在太陽能電池中的應用與發展）。某些實驗表明，通過稀土摻雜，太陽能電池的光電轉換效率可以提升數個百分點。雖然具體提升幅度因稀土元素種類、摻雜濃度和太陽能電池結構等因素而異，但這一趨勢是明確的。
能帶結構是影響太陽能電池性能的重要因素。稀土元素的引入可以調整太陽能電池的能帶結構，使得其更加有利於光生載流子的分離和傳輸。例如，在鈣鈦礦太陽能電池中，稀土元素的摻雜可以調控其價帶和導帶的位置和寬度，從而優化其光電性能。此外，稀土元素還可以作為敏化劑或啟動劑，在太陽能電池中引入新的能級或光學躍遷過程，提高其對光的吸收和利用效率（參考文獻：稀土摻雜在鈣鈦礦太陽能電池中的應用研究）。在鈣鈦礦太陽能電池中，稀土摻雜已成為提高光電轉換效率的重要手段之一。通過優化稀土元素的種類和摻雜濃度，研究人員已經成功製備出光電轉換效率超過25%的鈣鈦礦太陽能電池（參考文獻：鈣鈦礦太陽能電池研究進展及產業化應用前景）。
太陽能電池在運行過程中常會受到環境因素的影響，如溫度、濕度、紫外線輻射等。這些因素可能導致太陽能電池材料的性能退化甚至失效。稀土元素的添加可以增強太陽能電池的耐腐蝕性和穩定性，提高其抗老化能力。例如，稀土氧化物可以作為保護塗層或緩衝層，有效隔絕環境因素對太陽能電池材料的侵蝕。此外，稀土元素還可以通過調控其電子結構和化學性質，改善太陽能電池材料與電極或基底的介面結合力，從而提高其整體穩定性（參考文獻：稀土材料在光伏領域的應用前景與挑戰）。有研究表明，通過稀土元素的添加，太陽能電池在紫外線輻射下的穩定性顯著提高。在連續光照下工作數百小時後，其光電轉換效率僅略有下降。這表明稀土元素在提高太陽能電池穩定性方面具有顯著效果。
稀土礦山圖片
除了上述直接應用於太陽能電池材料的稀土元素外，還有一些稀土元素在太陽能電池的其他組成部分中發揮著重要作用。例如，稀土元素可以用於製備高效的電極材料、集流體或反光鏡等元件，以進一步提高太陽能電池的性能。此外，稀土元素還可以作為催化劑或添加劑，在太陽能電池的製備過程中改善材料的加工性能和微觀結構（參考文獻：稀土元素有哪些神奇應用）。
儘管稀土元素在太陽能電池中的應用展現出巨大的潛力，但仍面臨一些挑戰。首先，稀土元素的資源有限且分佈不均，這限制了其在太陽能電池中的大規模應用。其次，稀土元素的提取和加工成本較高，且部分稀土元素具有毒性或放射性，這對其在太陽能電池中的廣泛應用提出了更高要求。
為了克服這些挑戰並推動稀土元素在太陽能電池中的廣泛應用，未來的研究將重點集中在以下幾個方面：一是開發新型稀土材料和技術以降低其成本並提高資源利用率；二是研究稀土元素在太陽能電池中的作用機制以優化其性能；三是探索稀土元素與其他材料的複合或協同作用以製備高性能的太陽能電池；四是加強環保意識和監管力度以確保稀土元素的可持續利用和安全性。
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29.1 鑭元素在太陽能電池中的應用
鑭元素（La），作為稀土元素的一種，在太陽能電池領域的應用日益廣泛且重要。其獨特的物理化學性質，使得鑭在提升太陽能電池效率、穩定性和降低成本方面發揮著關鍵作用。
鑭是一種銀白色的金屬元素，位於元素週期表的第六週期、第IIIB族，原子序數為57，是稀土元素中最輕的成員之一。鑭具有良好的延展性和可塑性，能與其他金屬形成合金，同時其化合物在光學、電學、磁學等領域展現出優異的性能。
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一、鑭元素在太陽能電池中的作用
（1）提高發電效率
摻雜效應：在太陽能電池中，鑭常被用作摻雜元素。例如，在有機太陽能電池（OSCs）中，北京化工大學李韋偉課題組的研究表明，通過低溫溶液加工鈷-鑭空穴傳輸層（HTL），可以顯著提升OSCs的光電轉換效率（PCE）。該研究指出，基於Co-La50% HTL的OSCs器件獲得了18.82%的最佳PCE，遠高於基於傳統PEDOT:PSS的器件（18.03%）。這一成果不僅展示了鑭在提高OSCs效率方面的潛力，還為未來大規模商業化應用提供了可能（資料來源於《有機光電材料，OPV,OLED,OFET南京知研科技有限公司》）。
鈣鈦礦太陽能電池：此外，鑭系稀土離子（包括La3+）也被用於摻雜全無機鈣鈦礦太陽能電池中的CsPbBr3材料。研究表明，鑭系稀土離子的摻雜可以在鈣鈦礦結構中引入中間能級，優化光生電子的傳輸路徑，延長光生電子壽命，從而減少電子複合反應，提高光電轉換效率。通過多步液相旋塗技術，基於鑭系稀土離子摻雜的CsPbBr3全無機鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率可達10%以上，且在不同濕度和溫度條件下表現出良好的穩定性（資料來源于《江都區全球專利搜索平臺》）。
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（2）改善穩定性
除了提高效率外，鑭元素還有助於改善太陽能電池的穩定性。以有機太陽能電池為例，基於Co-La50% HTL的OSCs器件在不同條件下（如充滿氮氣的手套箱中儲存、環境濕度和連續照明）均表現出優異的長期穩定性。這種穩定性的提升對於太陽能電池的商業化應用具有重要意義，因為穩定性是影響太陽能電池使用壽命和性能的關鍵因素之一。
（3）降低成本
在太陽能電池的生產過程中，降低成本是提高其競爭力的關鍵。鑭元素的應用可以在一定程度上幫助降低生產成本。例如，在全無機鈣鈦礦太陽能電池中，採用碳作為背電極材料，避免了昂貴的空穴傳輸材料以及貴金屬背電極的使用，從而降低了生產成本。此外，鑭系稀土離子通過簡單的多步液相旋塗法進行摻雜，製備方式簡單，也為降低成本提供了可能。
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二、鑭元素在太陽能電池中的應用實例
實例一：有機太陽能電池
材料：鈷-鑭空穴傳輸層（Co-La HTL）
效率：基於Co-La50% HTL的OSCs器件獲得了18.82%的最佳PCE，遠高於基於PEDOT:PSS的器件（18.03%）。
穩定性：在不同條件下均表現出優異的長期穩定性。
實例二：全無機鈣鈦礦太陽能電池
材料：CsPbBr3摻雜La3+
效率：光電轉換效率可達10%以上。
穩定性：在濕度為60~90%的環境下連續測試110天，在濕度為0%的80度環境下連續測試60天，電池效率無明顯衰減。
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29.2 鈰元素在太陽能電池中的應用
29.3 鐠元素在太陽能電池中的應用
29.4 釹元素在太陽能電池中的應用
29.5 銪元素在太陽能電池中的應用
29.6 釓元素在太陽能電池中的應用
釓（Gd）是一種銀白色的金屬元素，原子序數為64，原子量為157.25。它在地殼中的含量相對較少，約為0.000636%，主要存在于獨居石和氟碳鈰礦等稀土礦物中。釓具有良好的物理和化學性質，如高熔點（1313°C）、高沸點（3266°C）、良好的延展性和磁性等。此外，釓還具有較高的熱中子俘獲截面，這一特性使其在核反應爐控制材料、防護材料以及磁製冷等領域具有廣泛應用。
釓的提取通常涉及從稀土礦藏中綜合回收伴生的釓。採集到的礦石經過破碎、磨礦、浸出、沉澱與分離、純化和提純等步驟後，得到高純度的釓物質。
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一、釓元素在太陽能電池中的基本應用
（1）減反射層
在太陽能電池中，減反射層是一個重要的組成部分，它能夠減少光線在電池表面的反射損失，提高光的吸收效率。研究表明，氧化釓（Gd2O3）作為一種優良的減反射材料，具有與矽晶格失配率低、禁帶寬度大、折射率高以及穩定性好等優點。通過有機化學氣相沉積等方法在太陽能電池表面沉積一層氧化釓減反射層，並進行適當的退火處理，可以在減反射層與電池層之間形成SiO2緩衝層，從而有效減少光線的反射損失。這種方法不僅能夠提高太陽能電池的光電轉換效率，還能增強其穩定性和耐久性。
氧化釓圖片
（2）電子傳輸層優化
在鈣鈦礦太陽能電池（PSC）中，電子傳輸層的品質對電池的性能具有重要影響。二氧化錫（SnO2）作為常用的電子傳輸層材料，具有低遲滯、低溫製備和高紫外穩定性等優點。然而，SnO22表面存在大量的錫懸掛鍵和氧空位缺陷，這些缺陷會導致嚴重的電荷複合並加劇介面的不穩定性。
為了優化SnO2與鈣鈦礦層之間的介面，研究人員將釓元素引入到基於SnO2的平面PSC中。實驗結果顯示，釓元素的引入有利於SnO2與鈣鈦礦層之間形成更好的能帶匹配，促進電子的傳輸和收集。同時，釓元素還能夠有效鈍化SnO2的介面缺陷，減少電荷複合，並降低表面能，進一步提高鈣鈦礦薄膜的品質和PSC的光電轉換效率（PCE）。據報導，基於釓摻雜的PSC呈現出高達22.40%的最優PCE和21.95%的認證效率，顯示出稀土元素釓摻雜在提高PSC光伏性能方面的巨大潛力。
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（3）其他潛在應用
雖然目前釓元素在太陽能電池中的直接應用主要集中在減反射層和電子傳輸層優化方面，但隨著研究的深入和技術的進步，釓元素在太陽能電池領域的應用前景將更加廣闊。例如，釓元素及其化合物可能在太陽能電池的新型光電材料、電池結構設計以及能量轉換效率提升等方面發揮重要作用。此外，釓元素在太陽能電池的穩定性和耐久性提升方面也具有潛在的應用價值。
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29.7 鋱元素在太陽能電池中的應用
29.8 鏑元素在太陽能電池中的應用
29.9 釔元素在太陽能電池中的應用
29.10 鈧元素在太陽能電池中的應用
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